5A版三相数字多功能网络智能电表.docx

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5A版三相数字多功能网络智能电表

摘要

随着互联网络的日益普及和嵌入式系统在智能控制方面的发展，将水表、电表等设备接入互联网络，通过互联网络进行智能控制和数据传输,是未来信息设备十分重要的发展方向。

其中智能电表的研究是当今的一个热门问题。

本系统就是将智能控制和数据传输的需要结合起来，研制了一款具有以太网通讯功能的数字智能电表。

本文介绍了智能电表系统总体的组成和设计，首先重点讲述智能电表系统中的通信模块，描述了基于单片机的网络通信研究，设计并实现了以单片机MSP430F149为MCU，通过以太网控制器CS8900A实现TCP/IP通信的硬件设计，还加上了用于RS-485通信的接口。

其次，详细介绍了TCP/IP栈的层次结构和其中的一些主要的协议，如TCP、UDP、IP、ICMP等协议，这些在软件的设计中是十分重要的。

在以太网上，TCP/IP协议保证了每时每刻数据准确的传输，如何利用TCP/IP协议在网络中进行数据传输是一个热门话题。

在本系统中，利用TCP/IP协议中的TCP（传输控制协议）、UDP（用户数据报协议）、IP（网络报文协议）、ARP（地址解析协议）及应用层协议成功地实现了单片机的网络互连。

最后介绍了实现TCP/IP通信程序的结构和程序中主要函数的功能，并进行了硬件调试。

关键词MSP430F149，以太网控制器，CS8900A，TCP/IP，MODBUS

ABSTRACT

FortheEthernethavingbeenwidelyuseddaybydayanddevelopmentfortheintelligentcontroloftheembeddedsystem,itisamajorareaofthedevelopmentofinformationequipmentthatweplantthewatermeters,ammetersintotheEthernetanddointelligentcontrolanddatacommunication.Nowadaystheresearchonintelligentammetersisahottopic.Wecombinetheneedsofintelligentcontrolanddatacommunication,thendevelopakindofdigitalintelligentammeterwhichhasthefunctionoftheEthernetcommunication.

Thisarticlegivesadescriptionabouttheconstructionandimplementationoftheintelligentammeter.Firstwetakeemphasesonthecommunicationmoduleoftheintelligentammetersystem.WedescribetheresearchaboutthecommunicationonEthernetwhichisbasedontheSCM,designandimplementthehardwaredeviceoftheTCP/IPcommunication.ItusesMSP430F149astheMCUandcommunicatesthroughtheEthernetcontrollerCS8900A.Inaddition,wealsohavetheRS-485communicationinterface.

NeGt,wedescribethelayerstructureofTCP/IPstackandsomeimportantprotocols,suchasTCP,UDP,IPandICMP,indetail.Theseprotocolsareveryimportantinthesoftwaredesign.OnEthernet,TCP/IPprotocolscanmakesurethatthedataiscommunicatedcorrectlyeverytime.HowtouseTCP/IPprotocolstocommunicatedataonEthernetbecomesahottopicnowadays.Inthissystem,weuseTCP（TransmissionControlProtocol）,UDP（UserDatagramProtocol）,IP（InternetProtocol）,ARP（AddressResolutionProtocol）intheTCP/IPstackandsomeprotocolsontheapplicationlayertoimplementthenetworkconnectionbytheSCMsuccessfully.

Inthelastsection,wedescribetheconstructionoftheprogramswhichimplementtheTCP/IPcommunication.Thenthecapabilityofsomeimportantfunctionsisdiscussedintheend.

KEYWORDSMSP430F149，EthernetController，cs8900A，TCP/IP，MODBUS

摘要...............................................................I

ABSTRACT........................................................II

前言...............................................................1

第一章绪论.........................................................3

1.1研究背景....................................................3

1.2本人完成的工作和各章节内容安排..............................4

第二章系统介绍.....................................................5

2.1处理模块和通信模块..........................................5

2.2采集模块....................................................5

2.3复位电路....................................................6

2.4电源........................................................6

2.4.1模块电源...............................................6

2.4.2TPS7133................................................7

2.5键盘........................................................9

2.6液晶显示....................................................9

2.7JTAGE.......................................................9

第三章通信模块的硬件设计..........................................10

3.1处理模块MCU..............................................10

3.1.1MSP430F系列单片机....................................10

3.1.2MSP430F149中的片内外设...............................11

3.2TCP/IP通信的硬件设计........................................12

3.2.1总体设计..............................................12

3.2.2以太网控制器CS8900A..................................13

3.2.3网络变压器PM45-1040M................................15

3.2.4RJ－45接口............................................16

3.3RS－485通信的硬件设计.....................................16

3.3.1总体设计..............................................16

3.3.2SN75LBC184芯片........................................17

3.3.3SN75LBC184的应用......................................18

3.4硬件电路的PCB图...........................................18

第四章通信协议.....................................................20

4.1TCP/IP协议栈...............................................20

4.1.1TCP/IP协议栈........................................20

4.1.2TCP/IP参考模型......................................20

4.2主要协议...................................................23

4.2.1TCP（TransmissionControlProtocol）协议..................23

4.2.2UDP（UserDatagramProtocol）协议.......................25

4.2.3IP（InternetProtocol）协议..................................26

4.2.4ICMP（InternetControlMessageProtocol）协议.................27

4.3MODBUS协议...............................................27

4.3.1MODBUS协议的通信....................................28

4.3.2MODBUS协议的通信方式................................29

4.4RS-485通信..................................................33

第五章通信模块软件设计............................................34

5.1通信模块的软件调试环境......................................34

5.2通信模块的软件..............................................34

5.2.1以太网控制器CS8900A的设置............................34

5.2.2TCP/IP通信的实现......................................35

5.2.3应用层HTTP服务器和MODBUS通信的实现...................37

第六章硬件调试....................................................39

第七章结论与展望..................................................44

致谢..............................................................45

参考文献...........................................................46

附录...............................................................47

英文翻译...........................................................47

翻译原文...........................................................61

前言

电子数字计算机诞生于1946年，在其后漫长的历史进程中，计算机始终是供养在特殊的机房中，实现数值计算的大型昂贵设备。

直到20世纪70年代，微处理器的出现，计算机才出现了历史性的变化。

以微处理器为核心的微型计算机以其小型、价廉、高可靠性特点，迅速走出机房。

基于高速数值计算能力的微型机，表现出的智能化水平引起了控制专业人士的兴趣，要求将微型机嵌入到一个对象体系中，实现对象体系的智能化控制。

嵌入式计算机系统要嵌入到对象体系中，实现的是对象的智能化控制，正是因此，它有着与通用计算机系统完全不同的技术要求与技术发展方向，嵌入式计算机系统的技术要求是对象的智能化控制能力，技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。

随着互联网的日益普及和互联网络硬件、软件的迅猛发展，信息设备上网已经成为现实。

传统的网络应用以PC为中心,当今的网络应用正转向以嵌入式设备为中心，这意味着我们进入了嵌入式网络时代。

嵌入式计算机与网络的结合是一种的必然趋势。

如今使用网络的用户呈指数增长，而在使用计算机进行网络互联的同时，信息共享程度的要求在不断提高，使得各种家电设备、仪器仪表以及工业生产中的数据采集与控制设备在逐步地走向网络化，以便利用庞大的网络资源，实现分布式远程监控、信息交换与共享网络中庞大的信息资源。

这样，就对网络和嵌入式系统提出了要求：

如何利用以太网实现远程控制系统，如何通过互联网共享以单片机应用系统为核心的小型嵌入式设备的信息，如何利用现已十分成熟的技术、MCU及以太网控制器芯片接入互联网，这些就是嵌入式系统通信研究的发展趋势[1]。

为了适应当前技术发展和生产实际的需要，本文介绍了三相数字多功能智能电表的系统结构，主要完成了其中重要的网络通信模块，实现了用单片机实现网络通信的硬件设计和软件编程。

文中，使用TI公司的MSP430F149单片机，以太网控制器采用CIRRUSLOGIC公司生产的CS8900A，来实现TCP/IP通信。

另外通信模块还采用了了传统的RS－485接口。

第一章绪论

1.1研究背景

近年来，全国城市、农村对电网进行大规模改造、建设，电力系统的电能表应用量迅速增长，据不全完统计，国家电网和南方电网拥有计费电能表总量为19500万台。

其中，两网直接管理用于计费的11800万台，非直接管理用于计费的7700万台。

同时，由于全国社会用电量跨跃式增长，电力工业进入快速发展时期，电网经济技术管理发生很大的变革，由此引发电力系统的电能表应用技术领域不断扩展，提出许多具有电力专业特点的技术要求，电能表也面临新的产品设计改进和技术创新机遇。

推进电力系统电能表应用技术发展的要素：

1、在现代大容量电网上，百万千瓦级发电机并网，百万伏级电网开工建设。

电力体制改革逐步到位，发电厂与电网分开；多年电力紧张，国家出台新的电价政策和用电需求的管理办法为电力营销提供公正、合理、可靠的计量保证。

2、全国城市、农村电网改造之后，电网强化线损管理、变电站经济管理、配电变压器运行管理；

3、全国一户一表工程结束之后，本地与远程自动抄表提到议事日程。

鉴于以上背景，近几年的电子式电能表的新技术、新产品不断推向市场，围绕改进与完善电网经济技术管理，电能表应用技术发展前景看好。

我们关注的是第三条发展需求，即本地与远程自动抄表技术。

长期以来，我国生产的交流电度表均为感应式机械电度表。

几十年来电力部门不得不采用人工抄读的原始方式。

人工抄表带来诸多问题，如开销大，不方便控制，经常出现偷电现象，而且也给用户带来了不便。

随着网络的日益普及，各种家电设备、仪器仪表以及工业生产中的数据采集与控制设备在逐步地走向网络化，这样就可以利用庞大的网络资源，实现分布式远程监控、信息交换与共享网络中庞大的信息资源。

对电力部门来说，数据统计和实时监测仍然是一个有待解决的问题，而对于用户来讲，也希望能够实时的了解自己的用电情况，可以方便的根据用电多少决定什么时候交电费。

这样就对传统电表提出了新的要求，要求它利用嵌入式技术的发展，使用单片机实现数据在以太网上的传输，做到能够远程抄表，远程控制电表终端，这样就能做到实时的监控，节约了人力物力[2]。

目前，采用PLC技术实现集中抄表的方案比较成熟，但PLC的成本较高，为了适应当前技术发展和生产实际的需要，本文研发了基于单片机的三相数字多功能智能电表。

1.2本人完成的工作和各章节内容安排

本人主要完成了如下工作：

1、了解三相数字多功能智能电表的系统结构和对网络通信的需求，同小组人员设计了通信模块的硬件结构。

2、根据要完成的通信功能选好实现通信的器件，重点完成了通信模块的硬件原理图和PCB图的绘制，并制成通信板。

3、与同组同学调试通信板，使通信板能够正常工作。

4、掌握了TCP/IP网络通信协议，在此基础上完成了通信模块的软件设计，并进行了调试。

5、建立了HTTP服务器，实现了TCP/IP通信。

6、通过TCP/IP通信实现了应用层的MODBUS传输协议。

总结以上的工作，本文的各个章节安排如下：

第一章论文的研究背景和各章节内容安排

第二章整个三相数字多功能智能电表系统的组成

第三章通信模块的硬件设计

第四章通信协议（TCP/IP协议栈）

第五章通信模块的软件设计

第六章硬件调试

第七章结论

第二章系统结构

三相数字多功能电表系统主要由采集模块、通信模块和处理模块，以及一些外围模块组成。

由于本文主要是对通信模块的研究，对于该系统的其它模块只作简单的介绍，只详细介绍电源的使用。

智能电表系统的硬件模块功能图如图2.1所示。

图2.1系统总体硬件模块图

2.1处理模块和通信模块

处理模块用的是TI公司生产的MSP430F149单片机。

通信模块主要靠以太网控制器CS8900A来完成TCP/IP通信，SN75LBC184来完成RS-485通信。

该部分的设计将在第三章中有具体详细的讲解，在此就不赘述。

2.2采集模块

SA9904B芯片是SAMES公司推出的一种三相功率/电量测量专用集成电路芯片（ASIC），可实时测量单相、双相和三相输电线路的有功电能、无功电能、电压有效值和频率值。

该芯片具有SPI接口，外部微处理器可通过此接口读取原始值，再根据相应的计算公式进行计算，最后得到各项电力参数的测量值。

芯片功耗低于60mW，具有静电保护功能，工作温度范围宽。

基于以上特点，SA9904B芯片能很好的完成本系统中的电能采集功能，因此系统中使用SAMES公司SA9904B电能集成芯片和TI公司的MSP430F149单片机组合来进行电能采集。

2.3复位电路

单片机的复位电路是十分重要的，本实验中采用积分复位电路来实现上电复位（如图2.2），二极管的作用是实现电容的放电。

若要实现手动复位，在/RST和GND间加入开关即可（如图2.3）。

图2.2积分复位电路图2.3带手动复位的积分复位电路

2.4电源

单片机MSP430149的工作电压范围为1.8~3.6V，以太网控制器CS8900A—CQ工作电压为5V，正常工作温度为0~+70摄氏度，因此系统必须使用双电源供电。

先由AC/DC模块电源实现220V交流电到5V直流电的转化，选择TPS7133芯片实现5V-3.3V的转化实现双电源。

2.4.1模块电源

1、L-N接交流输入端、FG接机壳（地线）。

2、输入端瞬态电压保护电路.FUSE为保险管，保险管电流额定值随输出功率大小而定，一般选择正常工作电流的两倍。

3、输出端接E1，C1。

C1为0.1μF的钽电容或独石电容,用来滤除高频噪声，耐压要求大于输出电压；E1尽量选用ESR电容（低损耗铝电解电容）用来降低纹波，此电容的耐压要大于输出电压，此电容的容值与输出的功率也有密切的关系,理论上说,功率越大，容值越大,当用户不能通过理论计算确定此电容值时，可用实验验证选型。

2.4.1TPS7133

TPS7133的引脚图和引脚说明见图2.5和表2.1。

表2.1TPS7133引脚说明

引脚序号

引脚名称

功能

1

GND

接地

2

EN

片选信号

3

IN

电压输入端

4

IN

电压输入端

5

OUT

电压输出端

6

OUT

电压输出端

7

SENSE

电压测试端

8

PG

电源好（PowerGood）输出信号

图2.5TPS7133的引脚图[3]

TPS7133内部结构如图2.6所示。

图2.6TPS7133的内部结构图[3]

IN是电压输入端，输入电压的范围在4.3--10V。

OUT是电压输出端，在25℃时的典型输出是3.3V，在-40--+125℃的工作范围内，其输出电压最小为3.23V，最大为3.37V。

TPS7133片内有两个比较器，其中的一个参考电压为1.178V，这个比较器的另一个输入是SENSE端经过R1和R2分压后的电压。

在实际应用中，SENSE端一般与OUT端相连，片内R1为420K，R2为233K，当输出电压为3.3V时，可以计算出比较器的正输入端电压为1.177V，因此这个比较器的输出为低电平。

对另外一个参考电压为1.12V的比较器来说，它的负输入端为1.177V，因此这个比较器的输出也为负[4]。

TPS7133的主要特点如下：

1、具有3.3V稳压输出；

2、静态电流典型值为285μA；

3、输出电流可达500mA；

4、具有PowerGood（电源好）指示功能

TPS7133的特点能满足设计中对双电源的要求，因此使用TPS7133实现的双电源供电电路图（如图2.7）。

图2.7TPS7133双电源供电电路图[3]

2.5键盘

液晶显示部分需要切换显示的画面，因此要使用键盘来提供切换命令。

本系统选取独立式四按键键盘，按键与MSP430F149有中断功能的P1.0—P1.3相连，软件上采用中断方式进入中断程序，完成各键功能。

这样不但能减少系统功耗，还可以降低CPU利用率。

2.6液晶显示

液晶显示模块要将采集到的三相电压、电能和频率等值显示出来，NS12864-12液晶显示块可以满足系统的需要。

NS12864-12是128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16G16点阵）、128个字符（8G16点阵）及64G256点阵显示RAM（GD